033.Насыщенные биполярн лог эл_ТТЛ (Ответы на экзаменационные билеты (МСТ))

3.2 Транзисторно-транзисторная логика

Элементы транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) составляют базу микросхем среднего и высокого быстродействия. Разработано и используется несколько вариантов схем, имеющих различные параметры.

Рисунок 11 Логические элементы И-НЕ с простым а) и сложным б) инвертором

3.2.1 ТТЛ элемент И-НЕ с простым инвертором

В состав такого элемента входит многоэмиттерный транзистор VT1 (рисунок 11,а), осуществляющий логическую операцию И и транзистор VT2, реализующий операцию НЕ. 

Многоэмиттерный транзистор (МЭТ) является основой ТТЛ. При наличии на входах схемы  т.е. эмиттерах МЭТ сигнала U⁰=U_КЭ.нас эмиттерные переходы смещены в прямом направлении и через VT1 протекает значительный базовый ток I_Б1=(E–U_БЭ.нас–U_КЭ.нас)/R_Б, достаточный для того, чтобы транзистор находился в режиме насыщения. При этом напряжение коллектор-эмиттер VT₁ U_КЭ.нас=0,2 В. Напряжение на базе транзистора VT2, равное U⁰+U_КЭ.нас=2U_КЭ.нас<U_БЭ.нас и транзистор VT2 закрыт. Напряжение на выходе схемы соответствует уровню логической «1». В таком состоянии схема будет находиться, пока хотя бы на одном из входов сигнал равен U⁰.

Если входное напряжение повышать от уровня U⁰ на всех входах одновременно, или на одном из входов при условии, что на остальные входы подан сигнал логической «1», то входное напряжение на базе повышается и при U_б=U_вх+U_КЭ.нас=U_БЭ.нас и транзистор VT2 откроется. В результате увеличится ток базы VT2, который будет протекать от источника питания через резистор R_б и коллекторный переход VT1, и транзистор VT2 перейдёт в режим насыщения. Дальнейшее повышение U_ВХ приведёт к запиранию эмиттерных переходов транзистора VT1, и в результате он перейдёт в режим, при котором коллекторный переход смещён в прямом направлении, а эмиттерные — в обратном (Инверсный режим включения). Напряжение на выходе схемы U_ВЫХ=U_КЭ.нас=U⁰ (транзистор VT2 в насыщении).

Таким образом, рассмотренный элемент осуществляет логическую операцию И-НЕ.

Простейшая схема элемента ТТЛ имеет ряд недостатков. При последовательном включении таких элементов, когда к выходу элемента подключаются эмиттеры других таких же элементов, ток, потребляемый от ЛЭ, увеличивается, уменьшается напряжение высокого уровня (лог. «1»). Поэтому элемент обладает низкой нагрузочной способностью. Это обусловлено наличием больших эмиттерных токов многоэмиттерного транзистора в инверсном режиме, которые потребляются от ЛЭ транзисторами-нагрузками.

Кроме того, эта схема имеет малую помехоустойчивость по отношению к уровню положительной помехи: U⁺_ПОМ=U_БЭ.нас–U⁰=U_БЭ.нас–2U_КЭ.нас. Для устранения указанных недостатков используют схемы ТТЛ со сложным инвертором (Рисунок 11,б).

3.2.2 ТТЛ элемент со сложным инвертором 

Схема ТТЛ со сложным инвертором (рисунок 11,б) также, как и схема с простым инвертором, осуществляет логическую операцию И-НЕ. При наличии на входах напряжения лог. «0» многоэмиттерный транзистор VT1 находится в режиме насыщения, а транзистор VT2 закрыт. Следовательно, закрыт и транзистор VT4, поскольку ток через резистор R4 не протекает и напряжение на базе VT4 U_бэ4="0". Транзистор VT3 открыт, так как его база подключена к источнику питания E через резистор R2. Сопротивление резистора R3 невелико, поэтому VT3 работает как эмиттерный повторитель. Через транзистор VT3 и открытый диод VD протекает ток нагрузки логического элемента и выходное напряжение, соответствующее уровню лог. «1», равно напряжению питания за минусом падения напряжения U_БЭ.нас, падения напряжения на открытом диоде U_д=U_БЭ.нас и небольшого падения напряжения на сопротивлении R₂ от тока базы VT2: U¹=E–2U_КЭ.нас – R₂I_Б2 = U_n–2U_БЭ.нас.

Рассмотренному режиму соответствует участок 1 передаточной характеристики логического элемента ТТЛ (рисунок 12.а)

Рисунок 12 Характеристики базового ЛЭ серии 155:

а – передаточная, б – входная.

При увеличении напряжения на всех входах потенциал базы VT2 возрастает и при U_ВХ=U⁰_пор транзистор VT2 открывается, начинает протекать коллекторный ток I_K2 через резисторы R2 и R4. В результате базовый ток VT3 уменьшается, падение напряжения на нём увеличивается и выходное напряжение снижается (участок 2 на рисунке 12). Пока на резисторе R4падение напряжения U_R4<U_БЭ.нас  транзистор VT4 закрыт. Когда U_ВХ=U¹_пор=2U_БЭ.нас–U_КЭ.нас открывается транзистор VT4. Дальнейшее увеличение входного напряжения приводит к насыщению VT2 и VT4 и переходу VT1 в инверсный режим (участок 3 на рисунке 12). При этом потенциал точки «а » (см. рисунок 11,б) равен U_a=U_БЭ.нас+U_КЭ.нас, а точки «б » — U_б=U_КЭ.нас, следовательно, U_аб=U_а–U_б=U_БЭ.нас. Для отпирания транзистора VT3 и диода VD1 требуется U_аб≥2U_БЭ.нас. Так как это условие не выполняется, то VT3 и VD1 оказываются закрытыми и напряжение на входе схемы равно U_КЭ.нас=U⁰ (участок 4 на рисунке 12).

При переключении имеются промежутки времени, когда оба транзистора VT3 и VT4 открыты и возникают броски тока. Для ограничения амплитуды этого тока в схему включают резистор с небольшим сопротивлением (R₃=100–160 Ом). 

При отрицательном напряжении на эмиттерах МЭТ большем 2 В развивается туннельный пробой и входной ток резко увеличивается. Для защиты ЛЭ от воздействия отрицательной помехи в схему введены диоды VD2, VD3, которые ограничивают её на уровне 0,5–0,6В.

При положительном напряжении больше (4–4,5) В входной ток также увеличивается, поэтому для подачи на входы ЛЭ лог. «1» нельзя подключать входы к напряжению питания +5 В. 

При практическом применении ЛЭ ТТЛ неиспользованные входы можно оставлять свободными. Однако при этом снижается помехоустойчивость из-за воздействия наводок на свободные выводы. Поэтому их обычно или объединяют между собой, если это не ведёт к превышению для предшествующего ЛЭ, или подключают к источнику питания +5 В через резистор R=1 кОм, ограничивающий входной ток. К каждому резистору можно подключать до 20 входов. Таким методом уровень лог. «1» создаётся искусственно.

Помехоустойчивость элемента ТТЛ со сложным инвертором:

U⁺_пом = U¹_пор – U⁰ = 2U_БЭ.нас – 2U_КЭ.нас

U^–_пом = U¹ – U¹_пор = E – 4U_БЭ.нас + U_КЭ.нас

Быстродействие элементов ТТЛ, определяемое временем задержки распространения сигнала при включении t^1,0_зад.р и выключении t^0,1_зад.р, зависит от длительности процессов накопления и рассасывания неосновных носителей в базах транзисторов, перезарядки емкостей коллекторных СК и эмиттерных СЭ ёмкостей переходов. Поскольку при работе элемента ТТЛ открытые транзисторы находятся в состоянии насыщения, то существенный вклад в увеличение инерционности ТТЛ вносит время рассасывания неосновных носителей при запирании транзисторов.

Элементы ТТЛ со сложным инвертором имеют большой логический перепад, малую потребляемую мощность, высокое быстродействие и помехоустойчивость. Типичные значения параметров ТТЛ следующие: U_пит=5 В; U¹≥2,8 В; U⁰≤0,5 В; t_зд.ср=10…20 нс; P_пот.ср=10…20 мВт; K_раз=10.

При практическом применении ЛЭ ТТЛ неиспользованные входы можно оставлять свободными. Однако при этом снижается помехоустойчивость из-за воздействия наводок на свободные выводы. Поэтому их обычно или объединяют между собой, если это не ведёт к превышению для предшествующего ЛЭ, или подключают к источнику питания +5 В через резистор R=1 кОм, ограничивающий входной ток. К каждому резистору можно подключать до 20 входов.